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什麼是熱成像?

什麼是熱成像?

與光學相機不同,熱成像儀不依賴玻璃製成的聚焦透鏡,因為它會阻擋長波紅外光。鏡頭焦點處的矩形光感測像素稱為焦平面陣列,有助於接收紅外能量並將其聚焦到傳感器上。

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thermal imaging

「眼見為憑」,但可惜人類視覺固有的局限性使我們只可在狹窄的可見光範圍內看東西。紅外線(Infrared)能量是從太陽,甚至地球上的每個物體和生物所散發出的電磁輻射(electromagnetic radiation),是人類只能使用熱像儀(thermal imaging camera, TIC)才能看到的東西。紅外線輻射恰好在750nm(納米)左右的可見光波長之外,並且屬於較長頻率範圍的一部分,緊接著的是太赫茲(terahertz),微波和無線電波。由於人類視覺「看不見」紅外線,我們需要利用工具將紅外線轉為人類「可視」影像,即是熱像儀(thermographic camera)。

Visible Spectrum
圖一 可見光頻譜(圖片來源 Seek Thermal, Inc)

從以前的大體積,如何成為細小的便攜式操作?

每個熱像儀都通過測量物體發射、透射和反射的紅外能量來進行操作。使用稱為微測輻射熱計(microbolometer)的微小釩氧化物傳感器,使現今市場上的熱像儀可以便攜式操作,而不必依靠固定的低溫冷卻器即可正常工作。

照相機對從物體發出的熱量進行表面溫度測量,然後將其作為圖像投射到屏幕上,稱為熱分析圖。儘管此功能可以識別表面的「涼爽」或「熱點」,但通常不會給用戶提供X-ray射線視力看穿牆壁的能力,哪麼說可看穿水管漏水或喉管電線過熱,如何做到?

黑體的基準發射率是「1」,並且提供了一個參考,可以根據該參考測量其他輻射度。然後利用算法功能來計算和分析物體周圍的多個紅外能量源,並構建隨後顯示在LCD屏幕上的圖像。由於在測量及分析過程中會受到外界環境影響,例如光源、濕度、反射等,將可能造成影響的「因子(factor)」演化成數學模組,經不斷的環境測試、實驗及數學計算,將得出的誤差值減到最低,這說是一價值USD100 與USD1000一部熱像儀的分別了。

與光學相機不同,熱成像儀不依賴玻璃製成的聚焦透鏡,因為它會阻擋長波紅外光。部份生產商會使用由特殊材料製成的鏡頭,例如鍺或藍寶石晶體,它們是自然物料但易碎且生產成本昂貴。硫屬化物玻璃(Chalcogenide glass)是一種更新、更便宜的材料,可以降低熱像儀進入市場並進入客戶手中的成本。 該材料是透鏡的理想選擇,因為它可以通過其表面傳輸各種電磁頻率。鏡頭焦點處的矩形光感測像素稱為焦平面陣列(Focal Plane Arrays, FPA),有助於接收紅外能量並將其聚焦到傳感器上。

顯示影像

圖像往往是單色的,或顯示錯誤的配色方案,以使溫度的任何變化都可辨別。相機芯片處理器從不同像素的顯示屏中分配每個像素來代表溫度。計算完後,然後為像素分配顏色,從而在屏幕上生成結果圖像。在熱配色方案中,通常使用較深的藍色,紫色和綠色來表示較低的溫度,而較亮的顏色(黃色,橙色,紅色)通常表示存在熱量。

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圖二 熱成像照相機影像生成圖 (圖片來源Seek Thermal, Inc)

與夜視儀(Night Vision Devices,NVD)之間的區別

儘管夜視鏡熱成像儀通常都屬於「NVD」一詞的總稱,但它們的工作方式卻大不相同。

傳統的夜視鏡使用真空管(又稱圖像增強器)來增強低水平的環境光以生成可區分的圖像,並以不同的綠色陰影對其進行演色(rendering)。它們廣泛用於軍事和執法界,是監視和防止罪案發生的好幫手。

但是,獲得清晰的圖像在很大程度上取決於現有環境光的存在。在一個完全黑暗的房間裡看夜視鏡將幾乎無法提供清晰度。相比之下,熱像儀不需要光線亦可操作,並且可以在完全黑暗的環境中以及煙、霧和霾中進行掃描。

儘管NVD提供了更多的「逼真」輪廓圖像,但它們在軍事應用之外的使用仍然很少。隨著越來越多的應用,熱像儀利用其豐富多彩的,鮮明的對比從遠處照亮物體和人物,並在眾多設置中突出顯示關注的區域,這是熱像儀的成功及普及的原因及優勢。

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科技資訊

太空中的廢電池問題

太空中的廢電池問題

遺留在軌道上爆炸的廢電池加劇了太空碎片問題

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歐洲航天局(ESA)警告說,在環繞地球運行時爆炸的廢棄燃料和電池是造成不斷增長的太空碎片問題的最大原因。

ESA在有關該問題的年度報告中表示,隨著繞地球軌道運行的粒子數量呈指數增長,對運轉中的衛星的威脅逐年增加。

自1957年太空時代開始以來,數噸的火箭、航天器和儀器已被發射到太空。

最初,我們好像還未有計劃在它們「生命完結」的後續處理。自那時以來,數量不斷增加,太空中的爆炸和碰撞造成了成千上萬的危險碎片碎片。

「造成當前太空碎片問題的最大因素是在軌道上爆炸,這是由航天器和火箭上剩餘的能量(燃料和電池)引起的。儘管為防止這種情況已經採取了多年的措施,但我們認為此類事件的數量並沒有減少。任務結束後處置的趨勢正在改善,但進展緩慢。」歐洲航天局空間安全計劃負責人霍爾格•克拉格(Holger Krag)解釋說。

引入了國際準則以使太空更可持續,包括設計火箭和航天器,以最大程度地減少「脫落」的數量 – 由於太空上的條件限制,火箭部份物料在發射和運行過程中會脫落。

他們還建議在使用壽命結束時對航天器進行「鈍化(passivating)」,以防止爆炸,並通過取消軌道運行或將其移到「墓地軌道(graveyard orbit)」,將任務完成的航天器移出工作軌道。

儘管如此,ESA報導了令人擔憂的趨勢,即越來越多的碎片物體。從目前的情況來看,預計碎片和工作衛星之間的碰撞將取代爆炸成為碎片的主要來源。在過去的二十年中,平均每年在太空中發生12件意外的「碎片」,而且這種趨勢正在增加。

碎片事件描述了由於碰撞、爆炸、電氣問題甚至在太空中惡劣條件下物體脫離而產生碎片的瞬間。

不過,根據歐空局的數據,僅約15%至30%的有效載荷進入太空試圖遵守旨在減輕空間碎片問題的措施。

火箭的數字令人鼓舞,本十年中,在不符合標準的低地球軌道上的火箭中,約有40%至80%試圖遵守減少碎片的措施。 其中,30%至70%成功地做到了。

經濟學家最近建議,解決圍繞地球軌道建造空間碎片問題的最有效方法是,向運營商收取每顆進入軌道的衛星的費用。

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